文／劉鑫，蘇艷紅，門正興，靳正宇，冉茂文，李皓楠·成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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圓盤件是一種常見工業(yè)用件，多錐輥擺輾是一種先進(jìn)的塑性成形技術(shù)。為了研究多錐輥擺輾成形圓盤件技術(shù)的特征和特點(diǎn)，本文對多錐輥擺輾的兩種技術(shù)進(jìn)行了介紹，分析同軸多錐輥與不同軸多錐輥的區(qū)別和特點(diǎn)，并同時(shí)分析其成形特點(diǎn)。

擺輾是一種適用于成形盤類、法蘭類、齒輪類、圓環(huán)類等零件的成形技術(shù)，由于加工方法獨(dú)特，使其表現(xiàn)出常規(guī)加工工藝無法媲美的優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛用于汽車、摩托車、火車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。

由于擺輾的特性，許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究，周德成等研究了擺輾變形的特征并對其進(jìn)行了力學(xué)分析；王廣春等利用三維剛塑性有限元法分析了環(huán)形件在旋轉(zhuǎn)鍛造過程中的變形；高波等運(yùn)用力學(xué)知識、幾何學(xué)知識、軋制理論以及金屬塑性成形原理得到了有效軋制面積、軋制應(yīng)力、軋制扭矩等的計(jì)算方法以及求解公式。

現(xiàn)今的擺輾技術(shù)受制于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，難以成形直徑大于10m 的圓盤類零件。為了解決擺輾發(fā)展過程中問題，新提出了多錐輥擺輾技術(shù)，本文對多錐輥擺輾技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，研究了同軸多錐輥與不同軸多錐輥的區(qū)別和特點(diǎn)，并同時(shí)分析其成形特點(diǎn)。

擺輾大直徑圓盤件研究中的問題

擺輾技術(shù)主要有單輥擺輾和雙輥擺輾技術(shù)，原理見圖1、圖2，主要成形4m 以下的圓盤類零件。如果直徑過大，單個(gè)輥的體積增大，導(dǎo)致其機(jī)身過于龐大，對其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求也會提高。如生產(chǎn)8m 的圓盤件，采用單錐輥進(jìn)行生產(chǎn)，輥的長度大于8m，難以制造和加工。即使采用雙錐輥擺輾進(jìn)行生產(chǎn)，單個(gè)錐輥的長度大于4m，同樣面臨加工制造的困難。

圖1 單錐輥擺輾原理圖

圖2 雙錐輥擺輾原理圖

多錐輥擺輾技術(shù)

多錐輥擺輾技術(shù)是在原有擺輾的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的(圖3)，一般采用大于3 的奇數(shù)輥，以5 個(gè)輥為例，左側(cè)3 個(gè)輥，右側(cè)2 個(gè)輥。坯料繞中心進(jìn)行自轉(zhuǎn)，錐輥在橫梁的帶動(dòng)下與坯料接觸并開始輾壓工件。左側(cè)的錐輥旋轉(zhuǎn)半圈后，未被軋制的部分被右側(cè)的錐輥軋制，通過不斷的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)使工件逐步成形。

圖3 多錐輥擺輾原理

多錐輥擺輾由于其獨(dú)特的輾壓方式，充分利用了左右兩側(cè)錐輥的有效接觸面積，優(yōu)化了錐輥結(jié)構(gòu)和大小，使其整體結(jié)構(gòu)得到了減小，增加了可行性。但因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)不對稱，成形過程中機(jī)體受到偏心力影響，工件受力也處于動(dòng)態(tài)變化之中，所以容易發(fā)生失穩(wěn)偏移。

同軸多錐輥與不同軸多錐輥技術(shù)

針對多錐輥擺輾的研究，現(xiàn)在主要存在兩種方式，即同軸多錐輥與不同軸多錐輥。不同軸多錐輥擺輾主要是左右兩側(cè)錐輥的旋轉(zhuǎn)主軸不在一條直線上，屬于多錐輥擺輾技術(shù)常見的一種形式。而同軸多錐輥擺輾是多錐輥擺輾的一種特殊形式，左右兩側(cè)錐輥的旋轉(zhuǎn)主軸在一條直線上，這種技術(shù)能直接在雙錐輥擺輾機(jī)上對錐輥進(jìn)行開槽，是一種能直接進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證的技術(shù)。

有限元模擬

為了研究兩種成形方式的區(qū)別，分別對兩種方式進(jìn)行了有限元模擬(圖4、圖5)。模具設(shè)為剛體，坯料為塑性體，材料為45#鋼。采用四面體單元對工件進(jìn)行網(wǎng)格離散劃分，網(wǎng)格總數(shù)為32000，工件與模具之間的傳熱系數(shù)為5N/(s·mm·℃)，模擬參數(shù)見表1。

表1 模擬參數(shù)

圖4 同軸多錐輥有限元模型

圖5 不同軸多錐輥有限元模型

模擬結(jié)果分析

同軸和不同軸多錐輥擺輾的模擬成形結(jié)果見圖6、圖7。從成形效果來看，同軸多錐輥和不同軸多錐輥成形過程幾乎一致。首先在工件的表面產(chǎn)生凸起臺階，然后不斷輾壓平整；成形過程由于工件兩側(cè)受力不平衡，如果摩擦力過小，成形過程中容易出現(xiàn)偏移；成形過程中同軸多錐輥容易出現(xiàn)中心減薄、翹曲、偏移等缺陷，而不同軸多錐輥容易出現(xiàn)折疊，偏移等缺陷；在工件和下模摩擦力足夠的情況下，整體變形過程都比較平穩(wěn)。

圖6 同軸多錐輥擺輾模擬成形結(jié)果

圖7 不同軸多錐輥擺輾模擬成形結(jié)果

結(jié)論

⑴同軸多錐輥相對不同軸多錐輥的結(jié)構(gòu)要簡單，應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)。

⑵同軸多錐輥和不同軸多錐輥的變形過程幾乎一致。

⑶同軸多錐輥和不同軸多錐輥在成形過程中產(chǎn)生的缺陷不同，同軸多錐輥易產(chǎn)生中心減薄、翹曲等缺陷，而不同軸多錐輥易產(chǎn)生折疊等缺陷。